力矩平衡式差压变送器

一、力矩平衡式差压变送器

1.概述

力矩平衡式差压变送器是基于力矩平衡原理工作的，它由测量部分、杠杆系统、位 移检测放大器和电磁反馈机构组成，其原理框图如图2-8所示，其检测元件采用膜盒或 膜片。被测差压信号△Pii经测量部分转换成相应的输入力Fi，Fi与反馈机构输出的反馈 力Ff—起作用于杠杆系统，使杠杆产生微小的位移，再经位移检测放大器转换成标准统一信号输出。当输入力与反馈力对杠杆系统所产生的力矩达到平衡时，杠杆系统便达到稳定状态，此时变送器的输出信号Io(或P)反映了被测差压△Pi的大小。其结构示意图如图2-9所示。

在力平衡式差压变送器的杠杆系统中，目前已广泛采用了固定支点的矢量机构，并用平 衡锤使副杠杆的重心与其支点相蓽合，从而提高了仪表的可靠性和稳定性。

2.结构

(1)测量部分

测量部分的作用是将被测差压信号△Pi转换成输入力Fi，它由高、低压室、膜盒、轴封  膜片等部分组成。输入力Fi与差压△Pi的关系为

式中，A为测量膜片的有效面积，近似为常量。图中的轴封膜片为主杠杆的弹性支点，同时又起到密封作用。

(2)杠杆系统

杠杆系统是差压变送器中的机械传动力和力矩平衡部分，它的作用是把输入力Fi所产生的力矩与电磁反馈力Ff所产生的力矩进行比较，然后转换成检测片的外移。该系统包括主、 副杠杆，调零和零点迁移机构，静压调整和过载保护装置，平衡锤以及矢量机构，如图2-9 所示。 

①调零和零点迁移机构。变送器的零点由调零弹簧来调整。零点迁移则通过调节迁移弹簧实现的，迁移弹簧对主杠杆施加一迁移力F0'，此时变送器输入与输出间的关系仍可用前述的推导方法算得。设F0'到主杠杆支点的距离为L0'，则有

式中，A为膜片有效面积；L1、L2为Fi、Fi到主杠杆支点H的力臂；L3、L0、Lf为F2、F0、Ff 到副杠杆支点M的力臂；L4为检测12到副杠杆支点M的距离；tanθ为矢量机构的力传递系数，θ为矢量角；K1为副杠杆力矩-位移转换系数；K2为低频位移检测放大器位移电流转换系数；Kf为电磁反馈机构的电磁结构常数。

因迁移力F0'的作用方向可变，即可通过压缩或拉伸迁移弹簧，使其值为负或为正，故式中迁移项之前有正负号。由式（2-4)可知，只要改变迁移力的大小和方向，变送器便可在一定范围内实现正向或负向迁移。

在对变送器进行零点迁移时应注意，迁移后被测差压的上限不能超过该表所规定的上限值，迁移后的量程范围也不得小于该表的zui小量程。

顺便指出，在有些变送器中，迁移后弹簧和调零弹簧是同一根，因为迁移和调零都是变送器输出的起始值与测量起始点相对应。只不过零点调零量通常较小，而零点迁移量比较大。

②静压调整和过载保护装置。这两个装置可用图2-10来说明。

静差调整装置用以克服变送器的静差误差，静差误差是指被测介质静压力的作用而产生的一项附加误差。它具体表现在：当测量部分膜盒两侧同时受到静压力的作用而无差压时， 变送器的输出并非为与零点相对应的起始值。由于此项附加误差的存在，变送器在现场运行时，即使出入差压没有变化，但静压的波动也会是仪表的输出发生变化，这就增大了酒量误差，因此静压误差必须在一定范围之内。

产生静压误差的主要原因是，膜盒两侧的膜片有效面积不等以及主杠杆、拉条等装配不正，这会使静压力产生一个附加力矩（見图2-10 (b)),从面使伩表的零点发生变化，造成附加误差，为了消除这一误差，在主杠杆上方设置一静压调整装置，转动静压调整螺钉8可改变拉条和主杠杆的相对位置。因拉条和主杠杆的支点D和H分别在不同的高度，故当静压力P向上作用时，P分解为两个分力p1和p2，Pi被拉条所平衡，P2则对杠杆产生一转动力矩P向上作用时，因此顺时针（零点增加）或逆时针（零点减小）转动静压调整螺钉8可克服静压误差。

过载保护装置参照图2-10 (c.)，当测量力F过大时，反向力F也相应加大，两力大到一定程度时，过载保护簧片5将弯曲变形而脱离主杠杆4，F再增大时，只加大弹簧片的变形， 而矢量顶杆9承受的力不会增加，只是起到了过载保护的作用。

③平衡锤。由图2-9可见，在副杠杆上方装有平衡锤10，使副杠杆的重心和其支点M重合，从而提高了了仪表的耐户击、耐振动性能，而且在仪表不垂直安装时，也不影响精度。

④失量机构。矢量机构如图2-11（a）所示，它由矢量板和推板组成。由主杠杆传推力F1被分解为两个分力F2和F3，F3顺着矢量板方向，被矢量板固定支点的反作用力所平衡， 它不起作用，巧垂直向上，它作用于副杠杆，使其做逆时针方向偏转。

由图2-11 (b)的力分析矢量图可知，F2=F1tanθ，如前所述，改变tanθ可改变差压变送器的量程，这可通过调节螺钉（见图2-9)改变矢量角θ的大小来实现。由于矢量角在4°〜15°范围内变化，故仅用矢量机构调整量程时的量程比为

(3)电磁反馈机构

电磁反馈机构的作用是将输出电流Io转换成电磁反馈力Ff，此力作用于副杠杆上，产生反馈力矩Mf，以便和测量部分产生的输入力矩mi相平衡。该机构由反馈动圈1、导磁体2、 *磁钢3组成，如图2-12 (a)所示。

反馈力Ff的大小为

Kf是电磁结构常数，其值为

式中，B0为气隙磁感应强度；D为动圈平均直径；W为动圈匝数。

由前面的分析可知，改变Kf同枰可以调整变送器的量程，这可通过改变反馈动圈的匝数W来实现。

反馈动圈有W1和W2两部分组成，连接线路如图2-12 (b)所示。W1为725匝，用于低量程挡；W2为1450匝，W1+W2=2175匝，用于高量程挡。图中R11和W2的直流电阻相等。 在低量程挡时，将W1和R11相串接，1、3短接，2、4短接；在高量程挡时，将W1和W2串联使用，即1、2短接。

因为,故改变反馈动圈匝数可以实現3：1的量程调整，将调整矢量角和改变反馈动圈匝数结合起来，zui大和zui小两车比可达3.83X1=11.4:1